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Ingegneria

Una mietitrice di energia a base di polimeri piezoelettrici vibrazione con una struttura con mesh-Core 3D

Published: February 20, 2019
doi:
10.3791/59067
, , , , ,
1Gunma University, 2JST PRESTO

Summary

In questo studio, abbiamo fabbricato una struttura flessibile mesh 3D e applicandolo allo strato elastico di una mietitrice di energia bimorph a sbalzo-tipo vibrazioni allo scopo di abbassamento della frequenza di risonanza e aumentare la potenza di uscita.

Abstract

In questo studio, abbiamo fabbricato una struttura flessibile in mesh 3D con i periodici vuoti utilizzando un metodo di Litografia 3D e applicarlo a una mietitrice di energia di vibrazione alla frequenza di risonanza inferiore e aumentare la potenza di uscita. Il processo di fabbricazione è principalmente diviso in due parti: fotolitografia tridimensionale per l’elaborazione di una struttura di mesh 3D e un processo di incollaggio delle pellicole piezoelettrici e la struttura della maglia. Con la struttura a maglia flessibile fabbricato, abbiamo raggiunto la riduzione della frequenza di risonanza e miglioramento della potenza di uscita, allo stesso tempo. Dai risultati delle prove di vibrazione, la mietitrice di energia di vibrazione tipo di nucleo a maglie (VEH) ha esibito il 42,6% tensione di uscita superiore rispetto il VEH solid-core-type. Inoltre, il tipo di nucleo a maglie VEH fruttato 18,7 Hz di frequenza di risonanza, 15,8% inferiore il VEH solid-core-type e 24,6 μW di potenza di uscita, 68,5% superiore il VEH solid-core-tipo. Il vantaggio del metodo proposto è che una struttura complessa e flessibile con i vuoti in tre dimensioni può essere fabbricata relativamente facilmente in breve tempo con il metodo di esposizione inclinato. Come è possibile ridurre la frequenza di risonanza del VEH dalla struttura a maglia, utilizzare in applicazioni a bassa frequenza, ad esempio dispositivi indossabili ed elettrodomestici, può essere previsto in futuro.

Introduction

Negli ultimi anni, VEHs hanno attirato molta attenzione come un’alimentazione elettrica di nodi di sensori per l’implementazione di reti di sensori wireless e Internet of Things (IoT) applicazioni1,2,3,4, 5,6,7,8. Tra i diversi tipi di conversione di energia in VEHs, conversione di tipo piezoelettrico presenta tensione di uscita elevata. Questo tipo di conversione è anche adatto per la miniaturizzazione a causa della sua alta affinità con la tecnologia di microlavorazione. A causa di queste caratteristiche attraenti, sono stati sviluppati molti VEHs piezoelettrico utilizzando materiali ceramici piezoelettrici e polimero organico materiali9,10,11,12, 13.

In ceramica VEHs, VEHs di tipo a mensola utilizzando materiale piezoelettrico ad alte prestazioni PZT (piombo zirconato titanato) sono ampiamente segnalato14,15,16,17,18e il VEHs spesso usano risonanza per ottenere la generazione di energia ad alta efficienza. In generale, come la frequenza di risonanza aumenta con la miniaturizzazione della dimensione del dispositivo, è difficile da raggiungere la miniaturizzazione e bassa risonanza frequenza contemporaneamente. Così, anche se PZT ha prestazioni high-power-generazione, è difficile sviluppare dispositivi basati su PZT piccole che lavorano in una band di bassa frequenza senza elaborazione speciale, ad esempio nanonastro assembly19,20, perché PZT è un materiale ad alta rigidità. Purtroppo, nostre vibrazioni circostanti quali elettrodomestici, movimento umano, edifici e ponti sono principalmente alle basse frequenze, a meno di 30 Hz21,22,23. Pertanto, VEHs con il rendimento di generazione high-power a basse frequenze e di piccole dimensioni sono ideali per le applicazioni di bassa frequenza.

Il modo più semplice per ridurre la frequenza di risonanza è quello di aumentare il peso totale della punta del cantilever. Come associare un materiale ad alta densità per la punta è tutto ciò che è richiesto, il montaggio è semplice e facile. Tuttavia, la massa è più pesante, il dispositivo diventa più fragile. Un altro modo per abbassare la frequenza è di allungare le a sbalzo24,25. Nel metodo, la distanza dall’estremità fissa all’estremità libera è esteso da una forma bidimensionale serpeggiava. Il substrato di silicio è inciso usando un tecnica di fabbricazione di semiconduttori per fabbricare una struttura serpeggiava. Anche se il metodo è efficace per abbassare la frequenza di risonanza, l’area del materiale piezoelettrico diminuisce e, pertanto, diminuisce la potenza ottenibile. Inoltre, c’è uno svantaggio che la vicinanza dell’estremità fissa è fragile. Per quanto riguarda alcuni dispositivi di polimero, come la bassa frequenza VEH, polimero piezoelettrico flessibile PVDF è usato spesso. Come PVDF è solitamente rivestito da un metodo di rivestimento per rotazione e il film è sottile, la frequenza di risonanza può essere ridotto a causa della bassa rigidità26,27. Anche se lo spessore del film è controllabile nella gamma di sub-micron per alcuni micron, la potenza di uscita raggiungibile è piccola a causa dello spessore sottile. Pertanto, anche se la frequenza può essere ridotta, abbiamo non possiamo ottenere la generazione di energia sufficiente, e così, è difficile applicazione pratica.

Qui, vi proponiamo un bimorph-tipo piezoelettrico a sbalzo (costituito da due strati di strati piezoelettrici ed uno strato di strato elastico) con due fogli di polimeri piezoelettrici flessibili, che sono già stati sottoposti a trattamento per il miglioramento di stretching di caratteristiche piezoelettriche. Inoltre, adottiamo una struttura flessibile mesh 3D nello strato elastico del cantilever bimorph per ridurre la frequenza di risonanza e migliorare contemporaneamente il potere. Fabbrichiamo la struttura mesh 3D utilizzando il retro inclinato esposizione metodo28,29 , perché è possibile fabbricare multa modelli con alta precisione in tempi brevi. Anche se la stampa 3D è anche un candidato per fabbricare struttura mesh 3D, la produttività è bassa, e la stampante 3D è inferiore a fotolitografia nelle lavorazioni meccaniche di precisione30,31. Pertanto, in questo studio, il metodo di esposizione posteriore inclinato è adottato come metodo per microlavorazioni 3D struttura a maglia.

Protocol

1. fabbricazione della struttura mesh 3D Pulizia del substrato di vetro Preparare 30 x 40 mm substrati di vetro. Preparare la soluzione piranha da versare 150 mL di acido solforico (concentrazione: 96%) in bicchiere di vetro. Quindi delicatamente aggiungere 50 mL della soluzione di perossido di idrogeno (concentrazione: 30%). Garantire che il rapporto di volume di acido solforico: idrogeno perossido acqua è 3:1. Indossare occhiali protettivi e abbigliamento per la sicurezza mentre le soluzioni di versamento. Impostare un substrato di vetro in una giga di Teflon per la pulizia. Quindi immergerlo nella soluzione piranha per 1 min. Dopo 1 min di immersione nella soluzione piranha, risciacquare il substrato di vetro lavato 2 – 3 volte con acqua pura (2 – 3 volte di overflow). Rimuovere le gocce d’acqua sul substrato di vetro con soffio d’aria. Campitura del modello di maschera Cr per l’esposizione sul retro su un substrato di vetro Impostare il substrato di vetro in una camera di una macchina di polverizzazione del magnetron RF (radiofrequenza). Impostare la potenza RF a 250 W, la portata di gas Ar per 12 SCCM, la pressione nella camera a 0,5 Pa e il tempo “sputtering” per 11 min. Poi formare 100-200 nm di pellicola di cromo sul substrato di vetro di polverizzazione del magnetron di RF.Nota: Lo spessore è controllato con il tempo “sputtering”, prendendo in considerazione la condizione di tasso “sputtering”. Impostare il substrato su un palco di fissaggio in una camera di spin coater. Drop un photoresist positivo S1813 sulla pellicola di cromo e rivestire il film sottile di 1-2 μm di spin-coating a 4.000 giri/min per 30 s. Cuocere il substrato rivestite con photoresist a 115 ° C per 1 minuto su una piastra calda per asciugare il resist. Contattare un photomask e un substrato rivestito di photoresist. Esporre la luce verticale per strato di fotoresist UV. Assicurarsi che la dose di esposizione è 80 mJ/cm2, ed è la lunghezza d’onda 405 nm. Utilizzare il photomask illustrato nella Figura 1. Preparare due provette di 500 mL. Poi versare 150 mL di TMAH (idrossido di tetrametilammonio: 2,38%, solvente: acqua) soluzione in un bicchiere e versare 150 mL di cromo mordenzante (ammonio nitrato di cerio: 16%, acido nitrico: 8%) nel bicchiere graduato. Immergere il substrato in 150 mL di soluzione TMAH e sviluppare il photoresist per 30 s a 1 min. Sciacquare il substrato con acqua pura. Immergere il substrato in 150 mL di cromo acquaforte soluzione ed etch cromo per circa 1-2 min. Sciacquare il substrato con acqua pura e rimuovere le gocce d’acqua con soffio d’aria. Preparare soluzione piranha da versare 150 mL di acido solforico (concentrazione: 96%) in bicchiere di vetro. Quindi delicatamente aggiungere 50 mL della soluzione di perossido di idrogeno (concentrazione: 30%). Garantire che il rapporto di volume di acido solforico: idrogeno perossido acqua è 3:1.Nota: Indossare occhiali protettivi, indumenti e guanti per sicurezza mentre le soluzioni di versamento. Soluzione piranha sarà perdere attività dopo un po’, quindi preparare ogni volta. Posto un substrato di vetro su un jig di Teflon per la pulizia. Quindi, immergerlo nella soluzione piranha per 15-30 s rimuovere il photoresist. Preparazione per il rivestimento di SU-8 Sistemato il substrato sul palco fissaggio nella camera di spin coater. Goccia di circa 1 mL di soluzione di resina acrilica (concentrazione: 10%, solvente: toluene) sul lato di modello cromo del substrato per rilasciare una struttura fabbricata come strato sacrificale. Allora, formano un film sottile di spin-coating a 2.000 giri/min per 30 s. Cuocere in forno a 100 ° C per 10 min. Verniciatura a spruzzo SU-8 Lanciare la spalmatrice a spruzzo e versare la soluzione di acetone nella siringa per la pulizia. Pulire e rimuovere i residui all’interno l’ugello spruzzando soluzione di acetone.Nota: Se la pulizia è insufficiente, conduce all’ostruzione al momento della spruzzatura. Ripetere questo passaggio due volte per pulire accuratamente. Impostare il substrato su una piastra fissata in una macchina a spruzzo. Coprire il substrato con un bordo per prevenire tallone bordo. Versare il photoresist negativo SU-8 3005 nella siringa. Impostare il diametro ugello a 5 mm, il movimento di ugello velocità a 120 mm/s, la pressione di atomizzazione a 150 kPa, la pressione del fluido fino a 60 kPa, la distanza tra l’ugello e il substrato a 40 mm, la distanza di passo a 3 mm e l’intervallo di tempo per ogni strato a 45 s. Spray SU-8 multistrato sul substrato. Ripetere 10 volte il rivestimento nello stesso modo. Lasciare il substrato riposare per 5 min dopo rivestimento 10 volte.Nota: Durante il tempo in piedi, il film di SU-8 è uniformemente appiattito e le bolle di aria miscelate durante la verniciatura a spruzzo vengono rilasciate. Cuocere su una piastra calda a 95 ° C per 60 min. Misurare lo spessore di 10 strati di micrometro. Quindi, calcolare lo spessore per strato. Determinare il numero delle ripetizioni per verniciatura a spruzzo dallo spessore calcolato per strato. Poi spruzzare il multistrato per formare una pellicola spessa per raggiungere lo spessore del film di destinazione. In questa ricerca, 40 strati vengono applicate per uno spessore di 200 μm. Lasciate il substrato riposare per 5 min dopo il rivestimento di spruzzo multistrato. Cuocere su una piastra calda a 95 ° C per 240 min. Lasciare il substrato di SU-8 rivestito su una piastra calda per 60 min e poi raffreddarlo lentamente a temperatura ambiente. Formazione di struttura in mesh 3D Posizionare il substrato su una tabella di regolazione angolo di lanciare il substrato sopra (cioè, il film di SU-8 è rivolto verso il basso) come mostrato nella Figura 2. Fissare il bordo del substrato con nastro adesivo. L’angolo della tabella di regolazione a 45° di inclinazione.Nota: 0° significa che il substrato è nello stato orizzontale. L’angolo in questo momento è determinato dalla legge di Snell, calcolata dall’indice di rifrazione di photoresist, l’indice di rifrazione dell’aria. Irradiando incidente inclinandolo di 45°, è realizzata con una struttura reticolare con un angolo di struttura di 64°. Inserire la tabella di regolazione angolo sotto la sorgente di luce UV. Applicare luce UV verticalmente il substrato, a una dose di esposizione di 150 mJ/cm2 e una lunghezza d’onda di 365 nm. Dopo l’esposizione, ritorna l’angolo della tabella di regolazione 0 ° e inclinarlo a 45° nella direzione opposta. Applicare UV luce verticalmente nello stesso modo.Nota: Le illustrazioni sono mostrati in Figura 3a, b. Posizionare il substrato su un piatto caldo e impostare la temperatura a 95 ° C per PEB (post-esposizione cuocere). Cuocere il substrato per 8 min dopo la temperatura diventa 95 ° C. Spegnere l’alimentazione della piastra riscaldante. Attendere che la temperatura della piastra riscaldante scende a circa 40 ° C. Versare 150 mL di SU-8 developer in un bicchiere di vetro da 500 mL. Impostare il substrato in un jig di Teflon per lo sviluppo. Versare 150 mL di isopropanolo (IPA) in un altro bicchiere di vetro da 500 mL. Si sviluppano per circa 20-30 min accertarsi che, se il tempo di sviluppo non è sufficiente, si porta a insufficiente apertura dei vuoti della maglia. Immergere il substrato con jig in IPA e sciacquare per 2 min.Nota: Se la superficie del SU-8 è apparentemente bianco e fangoso, indica che lo sviluppo è insufficiente. In tal caso, ripetere sviluppo e risciacquare nuovamente. Dopo lo sviluppo completo, si forma una struttura reticolare, come mostrato nella Figura 3 c. Rilascio di struttura del substrato di vetro Versare 150 mL di soluzione di toluene in un becher di vetro da 500 mL. Coprire il becher con un foglio di alluminio perché il toluene è facile ad evaporare a temperatura ambiente. Immergere il substrato nella soluzione di toluene per circa 3-4 h. Assicurarsi che lo strato sacrificale della resina acrilica è inciso, e la struttura di SU-8 con la struttura della maglia è rilasciata dal substrato, come mostrato in figura 3d. Soffiare aria al substrato e rimuovere l’umidità. Conservarlo in un essiccatore fino a quando non viene utilizzato in fase 4.3. 2. preparazione della pellicola piezoelettrico Preparare un foglio PVDF. Inoltre, preparare un cutter con lama in acciaio inox e tappetino di taglio. Tagliare il foglio PVDF per la forma del dispositivo con un foglio di2 360 mm (10 x 30 mm per pensiline e 6 x 10 mm per il collegamento elettrico), come mostrato in Figura 3a. Posizionare il taglio film PVDF su una capsula di Petri con un raschiatore di cellulosa. Memorizzarli in un essiccatore. 3. preparazione del substrato per l’incollaggio di struttura reticolare e film piezoelettrici Versare 10 mL dell’agente principale di PDMS e 1 mL di agente indurente in una provetta da centrifuga (cioè, il rapporto di volume approssimativo è di 10:1). Impostare la provetta da centrifuga in un’agitazione planetaria e macchina di schiumatura e mescolare entrambe le soluzioni per 1 min. Preparare due 30 x 40 mm substrati di vetro. Impostare il substrato di vetro su un palco di fissaggio nel vano di spin coater. Goccia di soluzione PDMS sul substrato di vetro. Quindi, formare la pellicola PDMS di spin-coating a 4.000 giri/min, come mostrato in Figura 3e. Cuocere il substrato su un piatto caldo a 100 ° C per 60 min asciugare la pellicola PDMS. Spegnere l’alimentazione della piastra riscaldante. Attendere che la temperatura della piastra riscaldante scende a circa 40 ° C. 4. fabbricazione di mietitrice di bimorph vibrazione energetica Posizionare il taglio film PVDF uno su due differenti substrati PDMS, come mostrato in Figura 3f. Certi che solo inserendo film PVDF sulla superficie del PDMS, aderiscano a vicenda. Se le rughe sono visti sui film PVDF, estenderle con un rullo.Nota: Queste due pellicole PVDF sono chiamate flm1 PVDF e PVDF flm2, e i due substrati PDMS sono PDMS sbs1 e PDMS sbs2, per motivi di chiarezza. Goccia SU-8 3005 sul PVDF flm1 immessi sul sbs1 PDMS. Quindi, formare il film sottile SU-8 da spin-coating a 4.000 giri/min, come mostrato nella Figura 3 g.Nota: Questo film sottile SU-8 diventa uno strato di adesione tra la struttura della maglia e la flm1 PVDF. Il posto dove non sono state eliminate le 3005 SU-8 viene utilizzato per il cablaggio per acquisire energia elettrica. Posizionare la struttura a maglia SU-8 il PVDF flm1 e legame li come mostrato nella Figura 3 h. Goccia SU-8 3005 sul PVDF flm2 immessi sul sbs2 PDMS. Quindi, formare il film sottile SU-8 da spin-coating a 4.000 giri nello stesso modo come passo 4.2. Staccare flm2 PVDF da PDMS sbs2 e quindi posizionare sopra la struttura a maglia SU-8 immesso sul flm1 PVDF, aderendo a loro come mostrato in Figura 3i, j. Conservare il dispositivo con lo stato legato in un contenitore con bassa umidità come un essiccatore. Lasciarlo per circa 12 h. Scoraggiare le pinzette sul lato inferiore dello strato più basso flm1 PVDF e buccia 3 strati PVDF flm1, SU-8 mesh struttura e PVDF flm2 simultaneamente dal substrato, come mostrato nella Figura 3 k.

Representative Results

Abbiamo fabbricato una VEH bimorph-tipo composto da due strati di film PVDF e uno strato intermedio composto da una struttura a maglia SU-8, come mostrato nella Figura 4. Gli elettrodi del PVDF superiore e inferiore sono collegati in serie per ottenere la tensione di uscita. L’immagine ottica e le due immagini di SEM sono strati elastici con una struttura reticolare. Secondo le immagini, lo strato elastico elaborato tramite l’esposizione di retro inclinato sembra è bene 3D mesh modelli senza guasto di sviluppo. La figura 5 Mostra i risultati di test di vibrazione. Ai test di vibrazione, due VEHs — uno con un core con mesh e l’altra con una struttura di solido-nucleo — come lo strato elastico vengono valutati per verificare la validità del tipo di nucleo a maglie VEH. Il VEHs sono impostate su un agitatore di vibrazione ed eccitato con un’accelerazione di vibrazione di 1,96 m/s2 (0,2 G). Entrambi i VEHs maglie-core-type e tipo di solido-nucleo ha mostrato uscita sinusoidale sincronizzata con un ingresso sinusoidale. Il tipo di nucleo a maglie VEH ha esibito una tensione ad alto rendimento 42,6% rispetto al tipo di solido-nucleo VEH. Figura 5b Mostra la risposta di frequenza della potenza massima di uscita. Il tipo di nucleo a maglie VEH ha esibito una frequenza di risonanza di 18,7 Hz, che è il 15,8% inferiore il VEH solid-core-tipo e una potenza di uscita di 24,6 μW, che è 68,5% superiore il VEH solid-core-type. Figura 1: Layout di fotomaschere per fotolitografia fabbricare strato elastico con una struttura a maglie-core 3D. Strato di fotoresist ha due parti. Uno è l’area per il bloccaggio e l’altra contiene i modelli di linea e spazio per la modellatura di struttura a maglia. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura. Figura 2: set-up per l’esposizione inclinato. Luce UV è esposti verticalmente al substrato inclinato con un modello Cr posizionato sulla tavola regolazione angolare. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura. Figura 3: schematico di una mietitrice di energia di vibrazione piezoelettrica proposto con una struttura a maglie-core 3D e il processo di fabbricazione della raccoglitrice. Il processo di fabbricazione può essere diviso in 3 sezioni: (a)-(d) rappresentano il processo di fabbricazione della struttura mesh 3D, (e)-(g) rappresenti la preparazione del film PVDF su un substrato di vetro e (h)-(j ) rappresentano il processo di incollaggio per formare un cantilever bimorph. (Queste cifre sono pubblicate sotto oro Open Access, Creative Commons licenza e sono state modificate da [21].) Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura. Figura 4: (a) fotografia del bimorph fabbricato maglie-core vibrazione energia harvester, immagine ottica (b) della sezione trasversale della struttura a maglie-core 3D, (c) e immagini (d) SEM di strato elastico di SU-8 maglie-core. (Queste cifre sono pubblicate sotto oro Open Access, Creative Commons licenza e sono state modificate da [21].) Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura. Figura 5: tensione di uscita (a) sinusoidale di resistenza di carico in ogni condizione di risonanza (Hz 18,7 maglie-nucleo, nucleo pieno 22,2 Hz) e potenza di uscita massima (b) in funzione della frequenza di vibrazione sotto carico ottimale resistenza (maglie-core 17 MΩ, solid-core 13 MΩ) e accelerazione di 0,2 G. (Queste cifre sono pubblicate sotto oro Open Access, Creative Commons licenza e sono state modificate da [21].) Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Discussion

La fabbricazione di successo della struttura mesh 3D e il bimorph proposto VEH descritto sopra si basa su quattro passaggi critici e distintivi.

Il primo passaggio fondamentale è l’elaborazione utilizzando l’esposizione posteriore inclinato. In linea di principio, è possibile fabbricare una struttura reticolare di esposizione inclinato dalla superficie superiore usando la tecnica della litografia contatto. Tuttavia, l’esposizione posteriore presenta una precisione di lavorazione più accurata rispetto a contatto Litografia e difetti durante lo sviluppo hanno meno probabili di verificarsi28,29. Questo è perché il gap tra la fotomaschera e il photoresist potrebbe derivare dall’ondulazione della superficie del photoresist. Quindi, diffrazione della luce si verifica e l’elaborazione di precisione è abbassata a causa del divario. Pertanto, in questo studio, abbiamo fabbricato una struttura reticolare utilizzando il metodo di esposizione posteriore inclinato. Inoltre, il valore misurato dell’angolo strutturale della struttura della maglia fabbricato è circa 65°, con appena un errore dell’1% rispetto il valore progettato di 64 °. Dal risultato, concludiamo che è opportuno applicare il metodo di esposizione posteriore inclinato per realizzare la struttura della maglia.

Il secondo passaggio critico è il processo di sviluppo di SU-8. Se lo sviluppo di un difetto si verifica, la struttura a maglia perde flessibilità intrinseca. Per sviluppare la pellicola spessa SU-8, in genere 10-15 min viene utilizzato. Tuttavia, questa volta in via di sviluppo è insufficiente per lo sviluppo di una struttura di mesh 3D. La struttura di mesh 3D differisce dal modello 2D fabbricato di fotolitografia, perché ha molti vuoti interni all’interno della membrana. Se il tempo di sviluppo è breve, sviluppo non progredisce verso l’interno della struttura della maglia, causando il fallimento di campitura. Vale a dire perché, è necessario applicare un relativamente lungo tempo di sviluppo, 20-30 min32. Se modelli più sottili sono necessari, in via di sviluppo ancora più a lungo tempo può essere necessario. Tuttavia, a quel tempo, dobbiamo considerare il gonfiore causato da lungo sviluppo tempo33.

Successivamente, il metodo di sfruttare un substrato PDMS-formata nel processo di incollaggio della pellicola di PVDF e struttura a maglia SU-8 è unico. Rende possibile la spin-coating e, di conseguenza, PVDF e SU-8 possono essere facilmente rispettati utilizzando un spin-rivestito SU-8 sottile strato adesivo. PVDF e SU-8 può essere legato, anche utilizzando una colla istantanea disponibile in commercio. Tuttavia, il materiale adesivo si indurisce dopo l’adesivo è solidificato. Inoltre, è difficile formare una pellicola sottile con la colla istantanea. Se lo spessore della colla istantanea è più grande, aumenterà la rigidità dell’intero apparecchio. Un aumento della rigidità conduce ad un aumento della frequenza di risonanza (cioè, previene abbassando la frequenza di risonanza, che è lo scopo principale di questo studio). D’altra parte, con il film sottile di SU-8 formato da spin-coating come uno strato di adesione non influenzare notevolmente l’aumento in rigidità perché il film di SU-8 formato è sottile. Inoltre, mentre la struttura della maglia è fatta di SU-8, è possibile aumentare la forza adesiva utilizzando lo stesso materiale per lo strato di adesione. Ecco perché l’adesione SU-8 ha abbastanza resistenza adesiva per legare una struttura a maglia SU-8 e pellicole PVDF. Inoltre, dall’aspetto di riproducibilità del dispositivo, sarebbe utile usare il film sottile SU-8 come un livello di adesione, come una costante spessore può essere realizzata da spin filmazione del rivestimento.

In quarto luogo, il metodo di rivestimento di SU-8 è distintivo. Abbiamo selezionato un metodo di rivestimento multistrato di spray per la pellicola spessa SU-8. Anche se è possibile formare una pellicola spessa da spin-coating, grande superficie ondulazione si verifica, ed è difficile ricoprire uniformemente il film34. D’altra parte, utilizzando il metodo multi-rivestimento spray riduce l’ondulazione e sopprime l’errore dello spessore di film nel substrato34. In particolare, attenzione deve essere dato a grande ondulazione perché quando lo spessore della struttura mesh 3D diventa non uniforme, le caratteristiche di vibrazione e la rigidità del dispositivo viene modificato dallo spessore parzialmente aumentato o diminuito.

In linea di principio, come fotolitografia utilizza la luce UV, le forme fabbricabili sono limitate. È vero che possiamo fabbricare strutture complesse come una struttura mesh 3D utilizzando l’esposizione inclinato. Tuttavia, forme arbitrarie come una struttura tridimensionale con una forma curva in direzione di spessore di pellicola sono difficili da formare35,36. La stampa 3D in grado di produrre forme tridimensionali arbitrarie, e il design è flessibile. Tuttavia, la velocità effettiva di fabbricazione è bassa, e la precisione di lavorazione e produzione di massa sono inferiori a fotolitografia. Così, non è adatto per la realizzazione di strutture con multa modelli in tempi brevi. Inoltre, l’elaborazione di dati CAD 3D è necessario, e ci vuole tempo per creare il modello 3D. D’altra parte, nel caso di fotolitografia, soprattutto nel metodo inclinato esposizione, i dati CAD per strato di fotoresist sono bidimensionali e il disegno è relativamente facile. Ad esempio, il design orientato per una struttura di mesh 3D è solo le linee 2D e i modelli di spazio, come mostrato nella Figura 3. Considerando questi fatti, in questa ricerca, abbiamo sfruttato la tecnica della litografia 3D per sviluppare una struttura flessibile mesh 3D.

In questo studio, abbiamo fabbricato una struttura flessibile mesh 3D e applicandolo allo strato elastico di un tipo a mensola bimorph VEH ai fini della frequenza di risonanza di abbassamento e crescente potenza di uscita. Poiché il metodo proposto è utile nel ridurre la frequenza di risonanza, sarà utile per la mietitrice di vibrazione energetica mirati per applicazione a bassa frequenza come dispositivi indossabili, monitoraggio sensori per edifici pubblici e ponte, elettrodomestici, ecc. Ulteriore miglioramento della potenza di uscita dovrebbe combinando la forma trapezoidale, forma di triangolo e l’ottimizzazione di spessore che viene proposto in precedenza in altri documenti37,38,39.

Divulgazioni

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Questa ricerca è stata parzialmente supportata da JSP Science Research Grant JP17H03196, JST PRESTO Grant numero JPMJPR15R3. Il supporto da MEXT nanotecnologia piattaforma Project (The University of Tokyo microfabbricazione piattaforma) per la fabbricazione di fotomaschere è molto apprezzato.

Materials

SU-8 3005 Nihon Kayaku Negative photoresist
KF Piezo Film Kureha Piezoelectric PVDF film, 40 mm
Vibration Shaker IMV CORPORATION m030/MA1 Vibration Shaker
Spray coater Nanometric Technology Inc. DC110-EX
Sputtering equipment Canon Anelva Corporation E-200S
PDMS Dow Corning Toray Co. Ltd SILPOT 184 W/C Dimethylpolysiloxane
Spin coater MIKASA Co. Ltd 1H-DX2
Digital oscilloscope Teledyne LeCroy Japan Corporation WaveRunner 44Xi-A
SEM JEOL Ltd. JCM-5700LV
Digital microscope Keyence Corporation VHX-1000
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Riferimenti

  1. Karim, F., Zeadally, S. Energy harvesting in wireless sensor networks A comprehensive review. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 55, 1041-1054 (2016).
  2. Wei, C., Jing, X. A comprehensive review on vibration energy harvesting: Modelling and realization. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 74, 1-18 (2017).
  3. Priya, S., et al. A Review on Piezoelectric Energy Harvesting: Materials, Methods, and Circuits. Energy Harvesting and Systems. 4 (1), 3-39 (2017).
  4. Arroyo, E., Badel, A., Formosa, F., Wu, Y., Qiu, J. Comparison of electromagnetic and piezoelectric vibration energy harvesters: Model and experiments. Sensors and Actuators, A: Physical. 183, 148-156 (2012).
  5. Inoue, S., et al. A Fluidic Vibrational Energy Harvester for Implantable Medical Device Applications. IEEJ Transactions on Sensors and Micromachines. 137 (6), 152-158 (2017).
  6. Sano, C., Mitsuya, H., Ono, S., Miwa, K., Toshiyoshi, H., Fujita, H. Triboelectric energy harvesting with surface-charge-fixed polymer based on ionic liquid. Science and Technology of Advanced Materials. 19 (1), 317-323 (2018).
  7. Tsutsumino, T., Suzuki, Y., Kasagi, N., Sakane, Y. Seismic Power Generator Using High-Performance Polymer Electret. Int. Conf. MEMS’06. 06, 98-101 (2006).
  8. Arakawa, Y., Suzuki, Y., Kasagi, N. Micro Seismic Power Generator Using Electret Polymer Film. The Fourth International Workshop on Micro and Nanotechnology for Power Generation and Energy Conversion Applications Power MEMS 2004. , 37-38 (2004).
  9. Kim, S. G., Priya, S., Kanno, I. Piezoelectric MEMS for energy harvesting. MRS Bulletin. 37 (11), 1039-1050 (2012).
  10. Rocha, J. G., Gonçalves, L. M., Rocha, P. F., Silva, M. P., Lanceros-Méndez, S. Energy harvesting from piezoelectric materials fully integrated in footwear. IEEE Transactions on Industrial Electronics. 57 (3), 813-819 (2010).
  11. Chen, D., Chen, K., Brown, K., Hang, A., Zhang, J. X. J. Liquid-phase tuning of porous PVDF-TrFE film on flexible substrate for energy harvesting. Applied Physics Letters. 110, 153902 (2017).
  12. Kim, H. S., Kim, J. H., Kim, J. A review of piezoelectric energy harvesting based on vibration. International Journal of Precision Engineering and Manufacturing. 12 (6), 1129-1141 (2011).
  13. Aktakka, E. E., Peterson, R. L., Najafi, K. Thinned-PZT on SOI process and design optimization for piezoelectric inertial energy harvesting. Transducers’11. , 1649-1652 (2011).
  14. Xu, R., et al. Screen printed PZT/PZT thick film bimorph MEMS cantilever device for vibration energy harvesting. Sensors and Actuators, A: Physical. 188, 383-388 (2012).
  15. Shen, D., et al. Micromachined PZT cantilever based on SOI structure for low frequency vibration energy harvesting. Sensors and Actuators, A: Physical. 154 (1), 103-108 (2009).
  16. Bin Fang, H., et al. Fabrication and performance of MEMS-based piezoelectric power generator for vibration energy harvesting. Microelectronics Journal. 37 (11), 1280-1284 (2006).
  17. Lefeuvre, E., Badel, A., Richard, C., Petit, L., Guyomar, D. A comparison between several vibration-powered piezoelectric generators for standalone systems. Sensors and Actuators, A: Physical. 126 (2), 405-416 (2006).
  18. Ishida, K., et al. Insole pedometer with piezoelectric energy harvester and 2 v organic circuits. IEEE Journal of Solid-State Circuits. 48 (1), 255-264 (2013).
  19. Qi, Y., Kim, J., Nguyen, T. D., Lisko, B., Purohit, P. K., Mcalpine, M. C. Enhanced Piezoelectricity and Stretchability in Energy Harvesting Devices Fabricated from Buckled PZT Ribbons. Nano Letters. 11 (3), 1331-1336 (2011).
  20. Dagdeviren, C., et al. Conformal piezoelectric systems for clinical and experimental characterization of soft tissue biomechanics. Nature Materials. 14 (7), 728-736 (2015).
  21. Tsukamoto, T., Umino, Y., Shiomi, S., Yamada, K., Suzuki, T. Bimorph piezoelectric vibration energy harvester with flexible 3D meshed-core structure for low frequency vibration. Science and Technology of Advanced Material. 19 (1), 660-668 (2018).
  22. Bayrashev, A., Parker, A., Robbins, W. P., Ziaie, B. Low frequency wireless powering of microsystems using piezoelectric-magnetostrictive laminate composites. TRANSDUCERS 2003 – 12th International Conference on Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems, Digest of Technical Papers. 2, 1707-1710 (2003).
  23. Yildirim, T., Ghayesh, M. H., Li, W., Alici, G. A review on performance enhancement techniques for ambient vibration energy harvesters. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 71, 435-449 (2017).
  24. Karami, M. A., Inman, D. J. Electromechanical modeling of the low-frequency zigzag micro-energy harvester. Journal of Intelligent Material Systems and Structures. 22 (3), 271-282 (2011).
  25. Liu, H., Lee, C., Kobayashi, T., Tay, C. J., Quan, C. Piezoelectric MEMS-based wideband energy harvesting systems using a frequency-up-conversion cantilever stopper. Sensors and Actuators, A: Physical. 186, 242-248 (2012).
  26. Ramadan, K. S., Sameoto, D., Evoy, S. A review of piezoelectric polymers as functional materials for electromechanical transducers. Smart Materials and Structures. 23 (3), 033001 (2014).
  27. Sharma, T., Je, S. S., Gill, B., Zhang, J. X. J. Patterning piezoelectric thin film PVDF-TrFE based pressure sensor for catheter application. Sensors and Actuators, A: Physical. 177, 87-92 (2012).
  28. Lee, J. B., Choi, K. H., Yoo, K. Innovative SU-8 lithography techniques and their applications. Micromachines. 6 (1), 1-18 (2015).
  29. Kim, K., et al. A tapered hollow metallic microneedle array using backside exposure of SU-8. Journal of Micromechanics and Microengineering. 14 (4), 597-603 (2004).
  30. Vaezi, M., Seitz, H., Yang, S. A review on 3D micro-additive manufacturing technologies. International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 67 (5-8), 1721-1754 (2013).
  31. Gates, B. D., Xu, Q., Stewart, M., Ryan, D., Willson, C. G., Whitesides, G. M. New approaches to nanofabrication: Molding, printing, and other techniques. Chemical Reviews. 105 (4), 1171-1196 (2005).
  32. Zhang, J., Tan, K. L., Gong, H. Q. Characterization of the polymerization of SU-8 photoresist and its applications in micro-electro-mechanical systems (MEMS). Polymer Testing. 20 (6), 693-701 (2001).
  33. Chuang, Y. J., Tseng, F. G., Lin, W. K. Reduction of diffraction effect of UV exposure on SU-8 negative thick photoresist by air gap elimination. Microsystem Technologies. 8 (4-5), 308-313 (2002).
  34. Akamatsu, M., Terao, K., Takao, H., Shimokawa, F., Oohira, F., Suzuki, T. Improvement of coating uniformity for thick photoresist using a partial spray coat. The 7th Annual IEEE International Conference on Nano/Micro Engineered and Molecular Systems (IEEE-NEMS2012). , (2012).
  35. Ingrole, A., Hao, A., Liang, R. Design and modeling of auxetic and hybrid honeycomb structures for in-plane property enhancement. Materials and Design. 117, 72-83 (2017).
  36. Schubert, C., Van Langeveld, M. C., Donoso, L. A. Innovations in 3D printing: A 3D overview from optics to organs. British Journal of Ophthalmology. 98 (2), 159-161 (2014).
  37. Muthalif, A. G. A., Nordin, N. H. D. Optimal piezoelectric beam shape for single and broadband vibration energy harvesting: Modeling, simulation and experimental results. Mechanical Systems and Signal Processing. 54, 417-426 (2015).
  38. Tai, W. C., Zuo, L. On optimization of energy harvesting from base-excited vibration. Journal of Sound and Vibration. 411, 47-59 (2017).
  39. Song, J., Zhao, G., Li, B., Wang, J. Design optimization of PVDF-based piezoelectric energy harvesters. Heliyon. 3 (9), e00377 (2017).

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Tsukamoto, T., Umino, Y., Hashikura, K., Shiomi, S., Yamada, K., Suzuki, T. A Polymer-based Piezoelectric Vibration Energy Harvester with a 3D Meshed-Core Structure. J. Vis. Exp. (144), e59067, doi:10.3791/59067 (2019).
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